Datum: Mittwoch, 21. Februar 2018


Die Pfarrkirche St. Laurentius in Waldrach bei Trier, deren Ursprung im Jahr 981 n. Chr. liegt, wurde im Frühjahr 2017 nachgegründet. Die Wände des Kirchturms sollten verbessert und stabilisiert werden, denn Risse hatten sich bereits an der Außenfassade gezeigt. Ein Fall für die Spezialtiefbau-Firma ERKA Pfahl GmbH aus Baesweiler bei Aachen.


verfügbarer Platz 2,6 x 2,6 m
1,2 m dicke Natursteinwände
12 ERKA-Pfähle
1200 kN Vorpresslast


Die ERKA Pfahl GmbH wurde vorab durch das Ingenieurbüro Kempen Krause Ingenieure GmbH aus Aachen angefragt. Die Gründung des Kirchturms der Kirche St. Laurentius in Waldrach in der Nähe von Trier sollte verbessert werden. Im Laufe der Jahre hatten sich dort – bedingt durch verschiedene im Baugrund stattgefundene Setzungsprozesse – an den Innen- und Außenwänden deutliche Risse gezeigt.

Zielvorgabe war es, alle vier Wände des Kirchturms mittels ERKA-Pfählen derart nachzugründen, dass die Lasten des Baukörpers sicher in tragende Bodenschichten abgeführt und auch in der Zukunft weitere Setzungen nachhaltig vermieden werden.

Der ERKA-Pfahl ist ein bewährtes System für Nachgründungen (z.B. nach Nutzungsänderung oder Gebäudeaufstockung) und kann auch zur Unterfangung benachbarter Gebäude als Baugrubensicherung eingesetzt werden. Aufgrund geringen Platzbedarfs und kleiner Maschinen eignet es sich gut für schwer zugängliche Örtlichkeiten. Bei dem innovativen ERKA-Segmentpfahl (Nut-/Feder-System) werden Segmente so lange in die Erde gepresst, bis die Pfähle die notwendige Gebrauchslast sicher tragen. Evtl. Schiefstellungen an Bauwerken können mit dem System gleich mit korrigiert werden. Durch die aktive Vorpressung der Segmentpfähle wird – auch unter widrigen Umständen – eine nahezu setzungsfreie Tiefgründung hergestellt. Dadurch wird dem Bauherrn ein hohes Maß an Schadensfreiheit garantiert. Das hydraulische Einpressverfahren ist zudem oft die einzige Möglichkeit, Pfähle erschütterungsarm in den Baugrund einzubringen.


Besondere und beengte Baustellenverhältnisse

Im Rahmen der planerischen Vorgespräche machte der Pfarrer der St. Laurentius-Kirche in Waldrach, Herr Ralf-Matthias Willmes, auf eine Besonderheit aufmerksam: „Der Kirchturm ist lediglich von zwei Seiten zugänglich, die Fundamentierung steht auf einer rundumlaufenden, etwa 2,8 Meter starken Schotterschicht. Die Wände des Kirchturmes bestehen rundum aus Naturstein in einer Stärke von circa 1,2 Metern. Der Übergang von Fundamentbereich zu der darunter anstehenden Schotterschicht ist ebenfalls nur aus Natursteinlagen ausgebildet.“

Nach Begutachtung der Situation entwickelten die Geschäftsführer Ralf Engel und Henk de Jong zusammen zwei Varianten: Die Ausführung von außen mittels Minibagger sowie eine Ausführung der Arbeiten aus dem Kirchturm heraus. Letztlich hat sich der Spezialtiefbauer aus Gründen der Bauwerksverträglichkeit für eine Ausführung der Arbeiten aus dem Inneren des Kirchturmes heraus entschieden. Die Platzverhältnisse im Inneren des Turmes waren zwar sehr beengt (ca. 2,6 x 2,6 Meter), jedoch wurde die Gefahr für das Bauwerk durch eine Ausführung von innen merklich reduziert. Zudem wäre eine Ausführung von außen durch die eingeschränkte Zugänglichkeit zusätzlich erschwert worden. Eine weitere Besonderheit der Maßnahme waren die durch die Glocken des Kirchturmes entstehenden Schwingungen im gesamten Baukörper. Daher durften diese während der Arbeitszeit nicht benutzt werden. Bei der Ausführung musste also genauestens darauf geachtet werden, das Bauwerk nur in geringstmöglichem Umfang freizuschachten.

Vor der Ausführung musste hierfür der Kirchturm auf Eingangsniveau komplett geräumt und der Fliesenboden entfernt werden. Anschließend konnten die Nachgründungsarbeiten starten:


Deutliche horizontale und vertikale Risse sowie
Abplatzungen an der Kirche St. Laurentius


Die Nachgründungsarbeiten an der St. Laurentius Kirche beginnen

In einem ersten Arbeitsschritt wurden die Erdmassen im Inneren des Kirchturmes bis in eine Tiefe von 1,5 Meter ausgehoben, um sich der tieferliegenden Fundamentunterkante des Kirchturms anzunähern. Diese Arbeiten konnten auf Grund der beengten Platzverhältnisse nur in Handarbeit ausgeführt werden.

Ein weiterer Zwangspunkt war die Problematik der Aushubentsorgung bei zunehmender Tiefe der Schachtarbeiten. Hierzu entwickelte ERKA Pfahl eine Konstruktion aus einer elektrischen Winde und einer Laufkatze, die an einem Dreibein montiert durch die geöffnete Türe des Kirchturms bis in das Innere reichte. Erschwerend kam hinzu, dass die Eingangstüre des Kirchturms eine Stichbogenkonstruktion mit einer alten Holztüre war. Für die Gesamtdauer der Maßnahme musste die Türöffnung im Ursprungszustand erhalten bleiben und konnte nicht weiter geöffnet werden.

Die Anforderung an die Seilwindenkonstruktion war also, eine Beförderung der Aushubmassen auf engstem Raum zu gewährleisten. Durch die oben beschriebene Konstruktion konnte eine Schubkarre an der Winde in die tieferliegende Grube befördert, mit dem anfallenden Aushub gefüllt, wieder nach oben und über die Laufkatze durch die Türe des Kirchturmes bis auf den Vorplatz befördert werden. Von dort aus konnte man die angefallenen Aushubmassen mit einem Radlader bis in einen an der Straße zur Entsorgung bereitgestellten Container transportieren. Mittels dieser Konstruktion war es ebenfalls möglich, sämtliche für die Sanierung benötigten Materialien (Pfahlsegmente, Baustahl, etc.) in die tieferliegende Grube zu bringen. Dies erleichterte die ausnehmend händisch ausgeführten Arbeiten enorm.


Spezialkonstruktion mit Winde und Laufkatze zur Entsorgung von Aushubmaterial
und Versorgung mit Baumaterialien in den engen Innenraum der Kirche


Die übliche Vorgehensweise im Rahmen einer Nachgründung mit dem ERKA-Segmentpfahlsystem wäre nun folgendermaßen gewesen: Zunächst wird eine Montagegrube in der Größe von ca. 1,25 x 1,25 Metern bis an die Fundamentunterkante und von da aus noch ca. 1,2 Meter tiefer geführt. Aus dieser Montagegrube wird dann der Arbeitsraum unterhalb der Fundamente geöffnet (ein Schlitz von ca. 1 Meter Breite, 1,2 Meter Höhe und 60 Zentimeter Tiefe). Innerhalb dieses Arbeitsraumes unter den Fundamenten kann normalerweise die ERKA-Pfahlkopfkonstruktion montiert werden. Diese besteht zunächst aus einem Stahlträger HEB 260, der zur Verteilung der Lasten unter die Fundamente montiert wird. Gegen diesen Stahlträger werden anschließend die Pfahlsegmente vertikal mit hydraulischer Kraft in den Boden gedrückt. Hierbei werden Hübe von jeweils ca. 15 Zentimetern vorgenommen bzw. bis der Kolben des Hydraulikzylinders ausgefahren ist. Somit werden die Pfahlsegmente mittels Nut und Feder System aufeinander aufgesetzt und Stück für Stück in den Baugrund gepresst. Hierbei dient das nachzugründende Objekt als Auflast, um den Pfahl in den Baugrund pressen zu können.

Diese übliche Vorgehensweise funktioniert jedoch nur dann, wenn die Unterkante der Fundamente ein temporäres Öffnen des Arbeitsraumes zulässt und zudem noch in der Lage ist, die benötigten Presslasten aufzunehmen. Bei der Kirche in Waldrach war es jedoch so, dass die ERKA-Pfähle mit einer Last von bis zu 1200 kN vorgepresst werden mussten, um die späteren Festsetzlasten von im Mittel 650 kN nachweisen zu können. Die alten Kirchturm-Fundamente waren jedoch nicht in der Lage diese Lasten sicher aufzunehmen. In der Tiefe bestanden die Fundamente lediglich aus lagenweise geschichteten Natursteinen mit einer Dicke von ca. 1,2 Metern. Diese Natursteinfundamente waren im losen Verbund und konnten die hohe Vorpresslast nicht aufnehmen. Weiterhin war es auch nicht möglich, zur Montage des Pfahlkopfes einen temporären Arbeitsraum in der benötigten Größe zu öffnen, ohne dass sich Steine aus dem Fundamentverbund lösten.

Durch diese besondere Situation war ein Umdenken erforderlich. Die Lösung für die Problematik der nicht lastaufnahmefähigen Fundamente war zunächst das Herstellen eines Druckpolsters. Hierzu wurden kleine Kammern in einer Tiefe von 1,7 bis 1,9 Metern unter Gelände mit Abmessungen von 1,2 x 1,2 Metern und nur 30 Zentimetern Höhe hergestellt und in die bestehenden Natursteinfundamente eingestemmt. In diese eingestemmten Kammern wurde nun ein vorher speziell zurechtgebogener Bewehrungskorb eingesetzt und durch Anschlusseisen nach rechts und links angebunden. Durch das vorherige Betonieren der Druckpolster waren die darüberliegenden Natursteinfundamente in der Lage die hohen Vorpresslasten der ERKA-Pfähle ohne Schaden aufzunehmen.

Bei der Ausschachtung des Kirchturm-Fundamentes ist vorsichtige Handarbeit gefordert. In die Natursteinfundamente werden kleine Kammern eingestemmt, um ein Druckpolster für den Lasteintrag zu schaffen.

 


Das Einpressen der ERKA-Pfahl-Segmentpfähle

Nach Herstellung dieses Druckpolsters konnte nun – ebenfalls abschnittweise – das darunterliegende Natursteinfundament in der beschriebenen Größe von 1,0 x 0,6 x 1,2 Metern geöffnet werden. Das darüberliegende Druckpolster verhinderte ein Herabfallen von eventuell losen Natursteinen.

Anschließend konnte in gewohnter Vorgehensweise ein HEB 260-Träger an der Unterkante des Druckpolsters montiert werden. Gegen diesen Stahlträger als zusätzliche Lastverteilung zum Druckpolster wurden anschließend die ERKA-Pfahlsegmente mit einem Durchmesser von 36,5 Zentimetern auf den Baugrund aufgesetzt und gegen die Auflast des Kirchturmes in den Boden gepresst.

Während dieses Vorganges wird der auf dem Hydraulik-System anliegende Druck an dem Nanometer der Pumpeneinheit angezeigt und durch die Baustellenmannschaft permanent überwacht. Mit zunehmender Tiefe der eingepressten Pfahlsegmente nimmt der Spitzendruck am Pfahlfuß immer weiter zu, sodass im vorliegendem Fall nach einer Länge von ca. sechs Metern der Baugrund eine Festigkeit aufwies, die die notwendige Vorpresslast von rund 1200 kN aufnehmen konnte.

Nach Festsetzen des Pfahles wurde der geschaffene Arbeitsraum unter dem Druckpolster ebenfalls bewehrt, zu beiden Seiten mittels Anschlusseisen angebunden und anschließend eingeschalt und ausbetoniert. Hierdurch wurde nach und nach der gesamte Kirchturm mit insgesamt 12 ERKA-Pfählen nachgegründet und die Lasten aus dem Bauwerkskörper sicher in die tragenden Bodenschichten abgeführt. Die vorhandenen Natursteinfundamente wurden in Rahmen dieser Maßnahme teilweise entfernt und dadurch alle vier Seiten des Kirchturms auf einen durchlaufenden Unterfangungskörper gestellt, in den die ERKA-Pfähle zur Lastabtragung integriert sind.

 

Gegen einen Stahlträger als Lastverteilung werden
die ERKA-Pfahlsegmente hydraulisch in den Boden gepresst.

 


Der Abschluss der Nachgründung mit ERKA Pfahl

Um die Arbeiten abzuschließen, musste das Restmaterial mittels der Windenkonstruktion aus der Baugrube entfernt werden. Anschließend wurde die durch den Betonkörper umlaufend umschlossene Grube mit einem Austauschmaterial angefüllt. Das vorhandene ausgehobene Material war für eine Wiederverfüllung nicht geeignet. Daher musste geeignetes Austauschmaterial angeliefert und mittels Radlader von der ca. 40 Meter entfernten Straße bis zum Kirchturm gebracht werden, wo anschließend die Baugrube lageweise angefüllt und verdichtet wurde.

Als abschließende Arbeit wurde auf Niveau des ursprünglichen Bodens noch eine bewehrte Rohbeton-Bodenplatte hergestellt. Auf diese Bodenplatte konnte anschließend der spätere Fußboden im Bereich des Kirchturms hergestellt werden.

Nach Abschluss der Nachgründungsarbeiten konnte die Außenfassade des Kirchturms saniert werden, um die durch die Setzungen entstandenen Risse zu beseitigen. Auch der Innenraum des Kirchturmes konnte für seine ursprüngliche Nutzung saniert und wieder eingeräumt werden.

Für die gesamte Maßnahme, also den Aushub des Bodenmaterials im Inneren des Kirchturmes, das Betonieren der Polster, Einpressen der Pfähle, Herstellen des umlaufenden Unterfangungskörpers und anschließendes Verfüllen und lageweise Verdichten sowie Herstellen der Bodenplatte, benötigte das Spezialtiefbau-Team von ERKA Pfahl eine Arbeitszeit von drei Wochen.

Pfarrer Ralf-Matthias Willmes war äußerst glücklich über die reibungslose Sanierung seiner Kirche.

Zum Abschluss der Arbeiten wird die Baugrube lageweise angefüllt
und verdichtet. Auf einer örtlich bewehrten Beton-Bodenplatte
wird der spätere Fußboden im Bereich des Kirchturms hergestellt.

 

Mit freundlicher Genehmigung:

ERKA Pfahl GmbH, Dipl.-Ing. Ralf Engel, Hermann-Hollerith-Straße 7, 52499 Baesweiler
Telefon: +49 2401 9180-0, Telefax: +49 2401 88476, E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!